車門尺寸偏差風噪聲形成機理及氣密性分析*

賴穎

?

車門尺寸偏差風噪聲形成機理及氣密性分析*

賴穎

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學院機械工程系，廣東 韶關(guān) 512126）

針對某車型汽車高速行駛時車內(nèi)風噪聲較大的問題。文章首先從車門尺寸偏差設(shè)計特點分析了車門尺寸偏差形成的主要影響因素及車門尺寸偏差風噪聲形成機理，然后對車門尺寸偏差與整車氣密性及高速行駛下風噪聲關(guān)系進行了實驗分析。結(jié)果表明，車門偏差對靜態(tài)氣密性影響關(guān)系較小，但高速行駛風噪聲影響較大，為車門尺寸公差設(shè)計提供理論參考。

車門；偏差；風噪聲；氣密性

前言

車門公差設(shè)計要求通常為±2mm，在不同制造階段制定相應的合格率標準，車門總成部件裝配到整車車身，最重要是保證車門與相鄰表面的間隙面差值。（如圖1所示）。

車門的間隙公差3~5mm±0.5mm，面差范圍0mm+2.0/- 0mm，特征線錯位偏差1.0mm以下，汽車質(zhì)量的提升，我國汽車間隙面差的公差要求越來越高，而針對各種不同車型定位需對公差、成本、性能的關(guān)系綜合考慮，得到最佳方案。研究對車門尺寸偏差對整車氣密性及噪聲性能的影響關(guān)系進行分析，通過氣密性實驗得到不同偏差與氣密性關(guān)系，最后通過道路實驗方法測得車門密封性對車內(nèi)風噪聲的影響。為整車廠車門尺寸公差設(shè)計提供理論參考。

圖1 車門尺寸公差（DTS）設(shè)計要求

1 車門尺寸偏差原因分析

車門在裝配中的問題主要有Y軸的面差與XZ平面的間隙偏差。在車門總成的裝配過程中，部件自身、裝配工藝參數(shù)與生產(chǎn)實際過程都將會對車門偏差產(chǎn)生影響，為了準確、快速地進行車門偏差的診斷，分析車門的裝配過程及車門的工藝特點，利用車門偏差魚刺圖對偏差進行診斷（如圖2所示）。車門各部件的偏差傳遞到車門分總成，分總成偏差在包邊工藝過程傳遞到車門總成，影響車門外觀，導致密封性差。因此車門裝配過程，要求綜合考慮內(nèi)外部間隙面差的偏差狀態(tài)，避免對車內(nèi)風噪聲產(chǎn)生影響。

圖2 車門裝配尺寸偏差來源

2 車門尺寸偏差風噪聲機理分析

Lighthill空氣動力學理論指出，風噪聲主要由三種線性典型聲源構(gòu)成——單極子聲源、偶極子聲源及四極子聲源，流體中聲源如圖3所示。

圖3 氣流運動中的三種聲源

結(jié)合聲源理論，對高速行駛下的車門偏差風噪聲產(chǎn)生因素分析如下。

（1）單極子聲源：表現(xiàn)在介質(zhì)中的質(zhì)量或熱量膨脹和壓縮不均而產(chǎn)生的聲源。該聲源如脈沖噴氣或液體氣泡爆裂等，流場速度對單極子聲源的聲強產(chǎn)生巨大的影響，其形成的聲功率為：

該聲源直接傳到車內(nèi)，并與車速四次方成正比；上式中，代表流動區(qū)域在流動方向上的截面積，0為密度，為聲速。

車內(nèi)單極子噪聲源主要有以下兩種情況：一種是通過車門窗的密封條傳遞的噪聲，稱為滲漏噪聲車門偏差一個最重要的問題是導致車門密封性變差。另一部分是車外空氣動壓導致車門窗密封條區(qū)域較大的負壓。

車門偏差使車門密封膠條壓縮形狀的變化加劇該噪聲源的產(chǎn)生。車門配合處間隙形成氣吸噪聲，車內(nèi)氣流在車體內(nèi)外壓差下向外流動，該氣流與車外氣流碰撞加大車外湍流強度，從而增大車門外表面處噪聲級，并降低密封結(jié)構(gòu)傳聲損失，從而引起車內(nèi)噪聲級增大。

（2）偶極子聲源：表現(xiàn)為流體與物體相遇近距離而形成180度的相位差而引起相互的反作用力的單極子聲源所組成，即為一對單極子聲源構(gòu)成的表面動態(tài)聲壓變化，與車速六次方成正比，偶極子聲源輻射聲功率表達為：

車門偏差使車門與A柱，側(cè)圍，門檻之間匹配面差偏大形成凸出表面，氣流經(jīng)過前風擋玻璃時產(chǎn)生分流，其中一個方向流向頂蓋和另一種流向車身側(cè)面。氣流流向車身側(cè)門位置經(jīng)過A柱區(qū)域再形成分流，分流后的氣流速度梯度與壓力梯度同時產(chǎn)生了很大的改變。同時在車門與車身結(jié)合位置，會在車門上形成渦流與再附流，但該渦流的強度非常小，A柱產(chǎn)生的附著流對車門的振動進行激勵，從而導致車內(nèi)噪聲增大。

車門與翼子板及后側(cè)門連接面縫隙過大形成的空腔，由于縫隙外部湍流與空腔內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流相互作用，形成類似二維剪切層的流動，如果空腔內(nèi)與空腔外氣流速度差值到達臨界值時，剪切層流動不穩(wěn)定引起共振現(xiàn)象，當氣流經(jīng)過該剪切層時導致強烈的壓力脈動而產(chǎn)生風振噪聲向車內(nèi)輻射；腔體噪聲也為偶極子聲源。

（3）四級子聲源：主要為近距離、相位相反的流體單元不穩(wěn)定的粘滯應力而形成的聲波，即由一對偶極子聲源構(gòu)成，與車速八次方成正比，四極子聲源輻射聲功率：

車輛正常行駛速度下，車身與凸出位置區(qū)域強烈起伏的紊流壓力。由于流場速度遠小于聲速，四極子聲源發(fā)射效率很低。偶極子聲源發(fā)射效率高于四級子聲源，但低于單極子聲源。由于汽車行駛速度屬于小馬赫數(shù)（M<0.3），對于汽車風噪聲來說，單極子噪聲源強度遠遠超過偶極子聲源，而偶極子聲源強度遠遠超過四極子聲源強度。

（4）其他噪聲源，車門連接處在高速行駛過程中因動態(tài)載荷變化，氣流壓力的作用引起車身剛度微變，車門與車身剛度變化不協(xié)調(diào)時，引起車身局部扭曲變形而使車門在XZ方向空間范圍運動，最終體現(xiàn)為車門與側(cè)圍面差與間隙的變化，另一方面車門裝配過程中容易使玻璃導槽與車窗導槽間隙偏大導致玻璃上下擺動形成振動噪聲，總體而言，車門偏差各種因素引起的風噪聲分布情況如圖4所示。

圖4 車門偏差風噪聲形成機理分析圖

3 車門尺寸偏差對氣密性影響試驗分析

氣密性是整車對氣體的密封性要求。車門尺寸偏差通常對整車氣密性產(chǎn)生影響，在早期的試制車裝配階段應展開對氣密性及風噪聲實驗。為了得到車門尺寸偏差與氣密性的關(guān)系，在保證其他因素對氣密性影響不變的條件下，測試整車多種車門尺寸偏差特征與汽車氣密性的影響關(guān)系。首先要求整車內(nèi)部壓力保持恒定的條件下，對整車氣體的泄漏量進行測試，根據(jù)氣體泄漏量來表征整車氣密性。車門面差與氣密性關(guān)系如式4所示。

式（4）中：QG——氣體泄漏速度；p——容器壓力，Pa； Cd——氣體泄漏常數(shù)；A——裂口面積，m2；試驗采用的是某商用車車型與整車廠廠家提供的整車氣密性測試設(shè)備，如圖5所示。

試驗步驟如下：

（1）拆除車身外部附件如前雨刮器擋板及后保，用專用膠帶密封進排口及后保安裝孔，密封后車窗。為保證車內(nèi)密封，拆除車輛座椅。密封車輛尾門及座椅安裝孔。將設(shè)備進氣口安裝在車輛后車窗玻璃處，并將后車窗玻璃附近區(qū)域進行密封。

（2）檢查設(shè)備安裝密封性。首先調(diào)整車內(nèi)壓力值到0.5（inches of water）后，整車漏氣量達到140（scfm- standard cubic foot per Hour）。檢測泄露部位，其中裙邊的焊縫漏氣現(xiàn)象較為嚴重，重新密封使漏氣量下降為120csfm。檢測其他漏氣部位，對漏氣現(xiàn)象較為明顯的車門把手及尾門漏液孔進行密封后漏氣量下降為100csfm。最后密封車門底部的漏液孔，使漏氣量降為80scfm。整車密封符合要求，檢查設(shè)備安裝完整，進行下一步實驗。

（3）為獲得較好的重復性，檢驗實驗測量結(jié)果是否具有重復性。在車輛初始條件下，調(diào)整車內(nèi)壓力值在(0.1-0.5)csfm范圍并測量整車漏氣量并記錄。實驗數(shù)據(jù)說明汽車氣密性實驗測量結(jié)果波動小，實驗重復性高，不需重復測量。

（4）調(diào)整車輛左前門鎖扣，記錄汽車左前門與側(cè)圍之間的面差以及對應的漏氣量。

（5）調(diào)整車輛鎖扣位置模擬制造偏差，鎖扣調(diào)整到極限位置后，整車漏氣量變化不大。拆除左前車門鎖扣并調(diào)整車門與側(cè)圍之間的面差，記錄壓力與漏氣量隨面差的變化關(guān)系。實驗圖片及結(jié)果匯總，泄露量測量數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 泄露量測量數(shù)據(jù)

面差及泄露量測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 面差及泄露量測量結(jié)果表

首先對第一組數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)羅曼諾夫斯基原則剔除數(shù)據(jù)中的粗大誤差。對于在5-20個以內(nèi)的數(shù)據(jù)，使用羅曼諾夫斯基準則來剔除測量中的粗大誤差。根據(jù)羅曼諾夫斯基準則計算可知，實驗中不存在粗大誤差。

表3 面差及泄露量測量結(jié)果

根據(jù)相對標準差計算得到，實驗測量結(jié)果較穩(wěn)定，無需進行多次重復實驗來減小測量結(jié)果的隨機誤差。對第二組測量數(shù)據(jù)進行擬合，得到不同氣體壓力下多組面差與漏氣量之間的關(guān)系。使用光順曲線擬合結(jié)果如圖6所示。

圖6 車門偏差與氣體泄漏量的關(guān)系曲線

通過對該車輛車門偏差聲學密封性能檢測，得到以下結(jié)論：對靜態(tài)工況下車門偏差氣密性檢測。通過調(diào)整車門鎖扣，改變車門與側(cè)圍之間的面差值，分別調(diào)整車內(nèi)壓力值為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，車內(nèi)壓力得增大引起車門與側(cè)圍之間的面差值改變，結(jié)果表明，面差在0~4mm時，氣體泄漏量變化不大；面差為4~6mm時，氣體泄漏量隨面差增大而增大，5mm內(nèi)變化幅度相對較小，當偏差值超過5mm后，整車的氣體泄漏量變化逐漸增加。故車門尺寸偏差對整車靜態(tài)氣密性影響較小。但靜態(tài)氣密性好并不意味著動態(tài)密封性好，下一步將針對汽車在高速行駛下車門動態(tài)偏差的密封性對車內(nèi)風噪聲的影響關(guān)系展進行實驗。

4 車門動態(tài)密封性與風噪聲關(guān)系實驗

往往車輛靜態(tài)工況下車門偏差氣密性良好并不能說明整車氣密性也良好，因為車輛在行駛工況下車門偏差產(chǎn)生的風噪聲比靜態(tài)工況大得多，因此需對高速行駛車門偏差引起的風噪聲進行實驗研究，車門連接處在高速行駛中因動態(tài)載荷，空氣激流壓力的作用使車身剛度發(fā)生變化，當車身與車門剛度變化不協(xié)調(diào)時，導致車身局部變形，車門上下部位受到的氣流壓力不同，產(chǎn)生了相對門鎖及鉸鏈為中心線的不同力矩，導致車門在XZ平面運動，于是，出現(xiàn)了車門和車身部件之間的匹配面差與間隙增大。另一方面，車體表面的空氣動壓力主要由兩部分構(gòu)成，其中一部分為流場的平均壓力，另一部分為非定常流場的壓力脈動，平均壓力在車上表面產(chǎn)生的負壓大于車門密封壓力而破壞車門密封性，引起風噪聲直接進入車輛內(nèi)部，平均壓力的部分將直接影響到氣吸噪聲。車輛動態(tài)聲學密封性能的測試，利用開窗法原理對左前門密封部位的泄露噪聲對車內(nèi)噪聲的貢獻量進行測試，用專用膠帶密封車門與車身A柱及側(cè)圍間隙部位，然后比較密封前后的車內(nèi)噪聲級大小，確定該車車門密封位置對車內(nèi)噪聲貢獻值，車門密封如圖7所示。

圖7 試驗車輛

車門密封產(chǎn)生車內(nèi)泄露噪聲的情況分析如下：在120km/h車速關(guān)閉發(fā)動機空擋滑行時，右前車門密封前后測試結(jié)果所得車內(nèi)測點副駕駛位置M2聲壓級的頻率特性，通過A計權(quán)1/3倍頻程譜表示，車門密封前后車內(nèi)噪聲級，如圖8所示。

圖8 車門偏差下密封性對車內(nèi)噪聲影響頻率特性曲線

從圖可以看出，在左前車門密封后，車內(nèi)噪聲的頻譜特性相對于密封前發(fā)生了明顯變化，當頻率超過1100Hz車內(nèi)噪聲級顯著下降，在整個分析頻段15000Hz以內(nèi)，聲壓級由71.2dB下降到69.6dB，平均下降1.6dB(A)。

主要在（100~3000）Hz之間的高頻段聲壓級由70.8dB下降到69dB，平均下降1.8dB(A)，從頻譜圖分析，泄露噪聲頻率主要在200Hz以上，（300~3000）Hz頻段泄露噪聲較為明顯。由圖表明，右前車門密封下對車內(nèi)泄露噪聲體現(xiàn)的主要頻率范圍在（300~3000）Hz，在200-3000z之間頻率段對車內(nèi)噪聲級貢獻達到1.8dB。

試驗結(jié)果表明：在中高頻范圍泄漏噪聲占主導地位，且車門B柱上部和中部位置是該車主要的泄漏噪聲源。因此，首先要從車門B柱位置考慮改進該車的車門偏差，高速行駛中汽車車門密封性對該車車內(nèi)風噪聲影響較大，在風噪聲控制中應首先考慮該車門的密封設(shè)計。

5 結(jié)論

按照該車型車門尺寸公差設(shè)計標準，車門與側(cè)圍面差控制范圍為0~2mm。故車門偏差對整車靜態(tài)工況的氣密性影響較小。而高速行駛下右前車門動態(tài)密封對車內(nèi)泄露噪聲體現(xiàn)的主要頻率范圍在（300~3000）Hz，在200-3000z之間頻率段對車內(nèi)噪聲級貢獻達到1.8dB因此，在對汽車裝配偏差控制中應結(jié)合靜態(tài)密封和動態(tài)密封同時展開具體分析。

[1] 龐劍.汽車車身噪聲與振動控制[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2014:156.

[2] 盧慰,金隼.轎車車門與側(cè)圍裝配質(zhì)量的預測分析[J].機械設(shè)計與制造,2008 (11):77-79.

[3] 劉先鋒,王學軍.汽車道路風噪聲測試及改進[J].噪聲與振動控 制,2014,34(3):111-114.

[4] 賀銀芝.汽車車身密封對車內(nèi)氣動噪聲影響的機理及試驗研究[J].汽車工程,2012,34(8):692-694.

[5] Chen K H,Johnson J,DietschiU,etal.Automotive mirror wind noise measurements[C] Proceedings of the 14thAIAA/ CEASAeroacous -tics Conference.Vancouver:Americanintitutue of Aeronautics and Astronautic.2008:1-13.

[6] 賴穎.車門尺寸偏差對風噪聲性能影響關(guān)系研究[D].贛州:江西理工大學,2016.

[7] 儲國平,張淑敏,金隼.轎車白車身車門偏差控制的研究.機械設(shè)計與制造[J],2003,10（5）:131-134.

Analysis of formation mechanism and air tightness of car door size deviation wind noise

Lai Ying

( Department of mechanical engineering, Guangdong Songshan Polytechnic College, Guangdong Shaoguan 512126 )

Aiming at the problem of high wind noise in a vehicle at high speed. In this paper, the main influence factors and the formation mechanism of the door size deviation wind noise are analyzed from the design characteristics of the car door size deviation, and the relationship between the car door size deviation and the vehicle air tightness and the high speed driving noise is analyzed. The result shows that the door deviation has little influence on the static air tightness, and has great influence on the high speed wind noise, and provides a theoretical reference for the design of the dimension tolerance of the car.

Car door;Dimensional;deviationNoisegas;tightness

B

1671-7988(2018)18-102-05

U463.83+4

B

1671-7988(2018)18-102-05

CLC NO.: U463.83+4

賴穎，碩士，助教，就職于廣東松山職業(yè)技術(shù)學院機械工程系，研究方向：汽車噪聲與振動。

廣東省教育廳青年創(chuàng)新人才類科研項目，項目編號：2017GkQNCX032。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.035